淺談煤礦井下抽采打鉆全過程瓦斯防噴管理

楊 博

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

0 引 言

瓦斯是煤礦安全的第一隱患，是造成煤礦較大及以上事故的主要災(zāi)害，防范瓦斯超限是遏制瓦斯事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要手段[1～2]。煤與瓦斯突出和按突出煤層管理的礦井應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格落實2 個“四位一體”綜合防突措施和過程管控，嚴(yán)禁違規(guī)以順層抽采代替穿層抽采、以局部措施代替區(qū)域措施；建立完善突出預(yù)警機制，發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出異常、超限，以及噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象時，必須立即停止作業(yè)、停電撤人、分析原因并采取有效治理措施[3～5]。發(fā)生瓦斯噴孔動力時，瓦斯涌出量驟增，使風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸蕖⒏咚賴姵龅耐咚辜八赡芡品O(shè)備、攜帶大量煤渣噴出傷人，嚴(yán)重時會引發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等誘發(fā)性重大事故[6～7]。因此，開展煤礦井下抽采打鉆全過程瓦斯防噴管理十分必要，通過采取有效管理手段和措施控制此類事故發(fā)生，防患于未然，對于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 打鉆防噴管理現(xiàn)狀

華晉公司沙曲一礦、二礦為煤與瓦斯突出礦井，吉寧、明珠為高瓦斯礦井。4 座礦井在日常防突、瓦斯治理期間向煤巖層施工鉆孔時，經(jīng)常出現(xiàn)由于發(fā)生塌堵憋壓、穿透構(gòu)造、防噴操作工序不合理、防噴管理不到位等原因，引發(fā)的瓦斯噴孔超限事故，也容易伴生瓦斯噴出動力災(zāi)害發(fā)生的危險。華晉焦煤公司所屬4 座礦近5 年來發(fā)生的82 起超限報警事故：瓦斯超限、報警事故占71 起，一氧化碳報警事故占8 起，大面積停電、失電事故引起瓦斯超限事故占3起。后續(xù)對超限報警事故發(fā)生的經(jīng)過、原因和防措施都進行了追查分析，經(jīng)整理分析，有29 起瓦斯超限、報警事故由抽采打鉆噴孔所致，占比近41 %。深入剖析事故的深層次原因：抽采打鉆過程瓦斯防噴管理工作執(zhí)行不到位，給瓦斯噴孔超限提供了條件。

2 打鉆防噴管理中存在的問題

2.1 客觀面對的防噴條件

開采強度和深度的增加，瓦斯地質(zhì)條件進一步復(fù)雜化。打鉆區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、煤巖特性多變、煤層松軟極易造成塌孔、堵孔致使孔內(nèi)瓦斯積聚、壓力異常升高引起噴孔；近距離煤層群開采，鄰近的煤巖層裂隙發(fā)育，富集水及游離態(tài)瓦斯，鉆孔施工時造成水與瓦斯噴出。

2.2 防噴措施在現(xiàn)場管理執(zhí)行中存在的缺陷

2.2.1 封孔質(zhì)量、固管環(huán)節(jié)可能存在的致噴因素

1）打鉆防噴裝置封孔管封固質(zhì)量環(huán)節(jié)，未達到2 MPa 帶壓注漿的壓力，未充分封堵裂隙；

2）注漿液的水灰配比沒有滿足配比標(biāo)準(zhǔn)和充分?jǐn)嚢璧囊螅?/p>

3）封孔候凝時間不足，急于施鉆造成封孔質(zhì)量強度下降；

4）封孔管、鉆桿安裝同心度及間隙不能滿足孔內(nèi)順暢排渣要求造成堵孔噴孔；

5）封孔管或法蘭接頭未合為一體,噴孔時有噴脫孔口防噴裝置的風(fēng)險。

2.2.2 防噴裝備和安全防護設(shè)施不完善可能存在的致噴因素

1）目前使用的打鉆防噴裝置、抽采連管存在容積小、結(jié)構(gòu)不合理、材料強度低、連接不可靠等問題，難以有效防范高強度噴孔。

2）鉆孔施工過程中氣、水、渣不能做到有效分離，及時進行抽、排、清理，導(dǎo)致防噴裝備和安全防護設(shè)施功能失效。

3）發(fā)生噴孔時，鉆機不能及時停鉆，打鉆防噴裝置不能自動快速關(guān)閉閥門，加大負(fù)壓抽排孔內(nèi)氣體和水渣分離。

4）防噴裝置設(shè)施強度低、體積大、笨重，而高強非輕便型、機械化水平低，影響鉆場有限空間內(nèi)的安裝使用和布孔。

2.2.3 操作作業(yè)環(huán)節(jié)、過程管控中存在的致噴因素

1）水力排渣鉆進工藝存在對鉆孔周壁煤體沖刷破壞易導(dǎo)致塌孔、堵孔，存在誘發(fā)噴孔的缺陷。

2）打鉆抽采人員業(yè)務(wù)素質(zhì)不高；打鉆施工存在操作不精細(xì)、觀察不細(xì)致、應(yīng)對不及時，對于出現(xiàn)鉆機油壓異常、鉆進困難、煤巖變化等情況反應(yīng)不靈敏，打鉆操作有單純追求進尺現(xiàn)象，有時打鉆及退鉆過程中隨意中斷或停滯易引起孔內(nèi)瓦斯壓力升高。對現(xiàn)場出現(xiàn)的塌孔、瓦斯噴出等異常、突發(fā)情況的應(yīng)急處置能力不強。

3）鉆孔通道沖洗除渣工序執(zhí)行不到位，造成鉆渣積淤堵孔，誘發(fā)噴孔。

4）瓦斯壓力較大及煤質(zhì)松軟異常區(qū)域鉆孔施工、退鉆及連孔抽采各環(huán)節(jié)未連續(xù)作業(yè)，長時間間斷引起的塌孔和瓦斯積聚情況產(chǎn)生。

5）鉆孔軌跡不平滑，出現(xiàn)急彎、“鍋底”、“駝峰”、軌跡相互打穿、分支孔多等，形成存水孔段或間段存水孔段堵孔，誘發(fā)噴孔。

2.2.4 職工安全意識、技能素質(zhì)、履職盡責(zé)方面存在的差距

1）瓦斯可防、可控的理念在部分人員心中未生根。

2）愛動腦、愛專研、勤動手的職工較少，創(chuàng)新性人才不足。

3）存在遇到難題避重就輕、有問題繞著走，留給其他人的現(xiàn)象。

3 研究解決方式

通過梳理，重點從防噴措施在現(xiàn)場管理執(zhí)行中存在的缺陷著手，打破技術(shù)壁壘，研究解決各項難題，形成一套成熟的打鉆防噴管理體系。

3.1 改進高強度封孔固管防噴技術(shù)及全面應(yīng)用

3.1.1 推廣應(yīng)用“兩堵一注”帶壓注漿封孔技術(shù)

礦井區(qū)域預(yù)抽鉆孔全部應(yīng)用“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝，封孔有效長度達到9 m 以上，封孔作業(yè)過程中，控制水灰比、混凝材料計量及攪拌質(zhì)量，出漿口壓力控制在2 MPa，充分封堵裂隙，實現(xiàn)帶壓式密封。具體封孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 “兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔示意圖

3.1.2 實現(xiàn)封孔固管和孔口防噴多通裝置封固一體化

采取“先封后鉆、邊鉆邊抽”防噴措施的鉆孔全部實現(xiàn)封孔固管和孔口防噴多通裝置法蘭緊固一體化，有效控制孔口防噴裝置噴脫的風(fēng)險。具體四孔管與四通一體化結(jié)構(gòu)見圖2 所示。

圖2 四孔管與四通一體化結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 增大封孔管及連接管直徑

按照鉆孔孔徑和鉆桿尺寸要求，合理選用大管徑封孔管，定向鉆孔封孔管內(nèi)徑至少為125 mm,保證鉆桿和封孔管間隙、提升出渣效果，堅持標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)孔工藝，增大連接管的直徑，保證孔道和抽采通道順暢。

3.2 開發(fā)噴孔應(yīng)急收集裝置及推廣應(yīng)用

3.2.1 強化孔口密封質(zhì)量

定向鉆機推廣應(yīng)用孔口防噴盤根密封填料裝置、回轉(zhuǎn)式普鉆推廣應(yīng)用彈性滾輪式孔口緩沖釋壓密封裝置（見圖3），減小鉆桿和孔口多路防噴裝置之間的軸向間隙，有效節(jié)流控制帶壓噴孔瓦斯，提升密封效果。

圖3 彈性滾輪式孔口緩沖釋壓密封裝置

3.2.2 改進孔口防噴導(dǎo)流四通裝置

深孔定向鉆進在孔口防噴四通裝置和孔口管之間再增加一節(jié)快速聯(lián)孔抽采四通，方便鉆孔施工完畢后及時開啟負(fù)壓抽采，防止聯(lián)孔環(huán)節(jié)出現(xiàn)中斷負(fù)壓操作，加強全過程對孔內(nèi)瓦斯的控制。

3.3 健全打鉆視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)全過程管控

1）健全打鉆視頻監(jiān)控系統(tǒng)。所有區(qū)域預(yù)抽鉆孔施工地點實現(xiàn)“一鉆一視頻”，對開鉆、封孔注漿、防噴裝置使用、起鉆、收尺、下套管、驗收等所有環(huán)節(jié)，做到全過程監(jiān)控監(jiān)督。

2）合理調(diào)控鉆進速度。鉆孔鉆進過程中，鉆機司機隨時根據(jù)地質(zhì)情況、孔內(nèi)瓦斯情況、孔內(nèi)返水返渣情況，調(diào)控鉆進速度，高效處理噴孔、塌孔、堵孔、卡鉆等問題。

3）軌跡精準(zhǔn)控制。通過管理技術(shù)人員對鉆孔數(shù)據(jù)分析、對操作司機培訓(xùn)、日常監(jiān)督指導(dǎo)打鉆，提升鉆機操作技能水平，做到精準(zhǔn)控制定向鉆孔軌跡。所施工鉆孔軌跡趨于平滑，避免出現(xiàn)急彎、“鍋底”、“駝峰”，選擇分支點位置合適，盡量使上行孔不形成存水孔段，下行孔不形成間段存水孔段，減少堵孔誘發(fā)噴孔的風(fēng)險。

4）洗孔除渣環(huán)節(jié)考核。通過視頻監(jiān)控、過程監(jiān)督、制度考核、結(jié)果導(dǎo)向、效果考察等管理方式手段，強化鉆孔洗孔除渣環(huán)節(jié)，防范鉆孔通道沖洗除渣工序執(zhí)行不到位，造成鉆渣積淤堵孔誘發(fā)噴孔。

3.4 開發(fā)過鉆進異常區(qū)定點護孔技術(shù)及應(yīng)用

開發(fā)定向長鉆孔定點分段式防塌孔護壁裝置，在鉆孔指定塌孔位置段形成孔內(nèi)架搭橋，不僅解決定向長鉆孔過應(yīng)力區(qū)、松軟破碎帶時需全程下護孔套管材料成本高、下管難、工程量大、工序復(fù)雜的難題，而且解決堵孔引發(fā)的噴孔問題。具體定向長鉆孔定點分段式防塌孔護壁裝置結(jié)構(gòu)見圖4 所示。

圖4 定向長鉆孔定點分段式防塌孔護壁裝置結(jié)構(gòu)

3.5 完成被動防噴裝置持續(xù)改進及應(yīng)用

1）防噴收集裝置擴容。根據(jù)鉆孔施工區(qū)域瓦斯地質(zhì)、鉆孔設(shè)計、瓦斯壓力等因素，合理選擇防噴裝置規(guī)格參數(shù)，開發(fā)可擴容孔口防噴裝置、氣水渣分離器和瓦斯緩沖釋壓抽采囊袋裝置，并規(guī)范安裝使用，提升打鉆防噴孔能力。具體現(xiàn)場布置如圖5 所示。

圖5 防噴收集裝置布置示意圖

2）鉆桿防逆流。推廣應(yīng)用防噴、防逆流鉆桿，防范拆卸鉆桿和送水器過程中，發(fā)生憋噴孔。具體單行防逆流、、防逆流鉆桿結(jié)構(gòu)見圖6 所示。

圖6 單行防逆流、防逆流鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

3）防噴裝置應(yīng)急聯(lián)動。改進目前定向鉆機氣水渣分離裝置負(fù)壓抽氣管、排渣口手動閘閥控制方式，實現(xiàn)氣動聯(lián)鎖方式快速啟閉和高負(fù)壓放水排渣，閘閥開啟情況根據(jù)孔內(nèi)瓦斯大小來控制，提升噴孔應(yīng)急處置能力。氣動閥設(shè)置在防噴裝置新增的趟負(fù)壓管側(cè)，負(fù)壓管直接與瓦斯主管路連接，控制開關(guān)處安設(shè)在鉆機操作臺處，當(dāng)鉆機司機發(fā)現(xiàn)有瓦斯噴孔預(yù)兆時，在第一時間開啟氣動閥門，孔口防噴裝置中急速涌出的瓦斯可直接進入到主管路，從而大大降低了瓦斯向空間涌出的風(fēng)險，增加施鉆作業(yè)的安全系數(shù)。

圖7 氣水渣分離器連接示意圖

3.6 健全技術(shù)體系，完善管理制度

1）健全完善礦井瓦斯“零超限”目標(biāo)管理制度。充分發(fā)揮績效考核的杠桿作用，從科研創(chuàng)新、現(xiàn)場管理等方面鼓勵職工積極動腦，針對防范瓦斯超限進行持續(xù)改進，從制度管理方面定目標(biāo)、定考核、定管理辦法。從政策上防范瓦斯超限，從而使廣大職工心中有目標(biāo)，思想有認(rèn)識，行動有方向。

2）健全煤礦井下抽采打鉆全過程瓦斯防噴管理制度。按照“地質(zhì)先行、科學(xué)設(shè)計、分類分級、全員重視、精細(xì)管理、規(guī)范操作、嚴(yán)格問責(zé)、持續(xù)攻關(guān)”的原則要求，健全煤礦井下抽采打鉆全過程瓦斯防噴管理制度，并以文件形式下發(fā)，嚴(yán)格遵照執(zhí)行。

4 結(jié) 論

通過對打鉆全過程進行管理，改進封孔強度、推廣封孔固管和孔口防噴多通裝置法蘭緊固一體化技術(shù)、增大封孔管及連接管直徑、開發(fā)應(yīng)用孔口防噴盤根密封填料裝置及彈性滾輪式孔口緩沖釋壓密封裝置、開發(fā)定向長鉆孔定點分段式防塌孔護壁裝置、改造被動防護裝置等，形成了一套完善的抽采打鉆全過程瓦斯防噴管理體系，從根本上杜絕了打鉆瓦斯事故發(fā)生。